(57)【要約】【課題】  高精度、高出力、小型の加速度センサを提供する。【解決手段】  検知子１３は、第２導電性材料層１２の表面に平行な上面１３１及び下面１３２と、第２導電性材料層１２の表面に直交する４つの側面１３３ａ〜１３３ｄとをもつ直方体形状を有する。上面１３１及び下面１３２の形状は正方形であり、４つの側面１３３ａ〜１３３ｄは空隙を介して４つの電極１４ａ〜１４ｄに対向して配置されている。検知子１３の４つの側面１３３ａ〜１３３ｄが交わる各辺は梁１５ｅ〜１５ｈの各一端に接続されている。梁保持領域１６は第１絶縁性材料層１１を介して第１導電性材料層１０に固定されて梁１５ｅ〜１５ｈの他端に連結されている。４つの電極１４ａ〜１４ｄは絶縁されて第１絶縁性材料層１１を介して第１導電性材料層１０に固定されている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電性材料層と第２導電性材料層とを備え、
前記第２導電性材料層は、１つの検知子と複数の電極と複数の梁とを有し、前記検知子は前記第２導電性材料層の表面に直交する複数の側面をもち、各前記梁は一端で前記検知子を移動可能に保持し他端を固定され、各前記電極は前記検知子と各前記梁と他の電極とから絶縁されて前記検知子の各側面に対向して空隙を介して配置され、絶縁性材料を介して前記第１導電性材料層に固定されていることを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記第２導電性材料層は、梁保持領域を有し、
前記検知子は、４つの側面と下面と上面とをもつ直方体形状をもち、
各前記電極は、前記検知子の４つの各側面に対向して配置され、
各前記梁は、一端で前記検知子の側面が交わる４つの各辺に接続し、他端で前記梁保持領域に連結し、
前記梁保持領域は、絶縁性材料を介して前記第１導電性材料層に固定されている請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記検知子は、４つの側面と下面と上面とをもつ直方体形状をもち、
各前記電極は、前記検知子の４つの各側面に対向して配置され、
各前記梁は、一端で前記検知子の４つの各側面に接続し、他端で絶縁性材料を介して前記第１導電性材料層に固定されている請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記検知子の下面は、空隙を介して前記第１導電性材料層に対向する請求項１から請求項３のいずれかに記載の加速度センサ。
【請求項５】
第３層を備え、
前記第３層は、前記第２導電性材料層に絶縁されて積層され、
前記検知子の上面は、空隙を介して前記第３層に対向する請求項１から請求項４のいずれかに記載の加速度センサ。
【請求項６】
減圧雰囲気中に前記検知子を配置する請求項５に記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、静電容量の変化を検出して加速度を検出する加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、容量形成部を１つだけもつ容量検出型のセンサを用いた加速度センサは、被検知物の変位運動方向を任意の方向に分解するために複数のセンサを配置している。各センサの角度分解能を高めて精度の高い出力を得るためには、各センサの取付角度の精度を高くする必要があり、複数のセンサを高精度な取付角度で実装することは困難である。そのため、複数のセンサを一体に形成したセンサが提案されている。
【０００３】
特許文献１には、基準平面に対して所定の傾斜角を有する複数の傾斜面により形成された凹部を備えた基板と、この基板の各傾斜面に対向する傾斜面及び基準平面と平行な平行面を有し、上記基板と所定の間隔を介して配置された可動多面構造体と、この構造体を可動可能に弾性支持する支持手段と、上記基板と構造体の各傾斜面の間の変位及び上記基板の基準平面と構造体の平行面の間の上記基準面に対する垂直方向の変位を検出する変位検出手段を有する半導体センサが提案されている。
【０００４】
特許文献１の半導体センサでは、垂直方向及び水平方向の加速度により移動する多面構造体に生じる慣性力は小さいため、静電容量の変化を検出して加速度を検出するためには、検出感度やＳ／Ｎを非常に大きくする必要がある。
【０００５】
静電容量型の加速度センサは、静電容量発生部の対向電極の間隔が狭いほど出力が高く、間隔の寸法精度が高いほど検知精度が高い。例えば、電極を薄膜で形成したダイヤフラム形状をもつ容量検出型のセンサは、薄膜のゆがみ等が存在するため対向電極の間隔を狭くすることが困難であるため、出力を大きくするにはダイヤフラムの面積を大きくする必要があり形状が大きくなる。
【特許文献１】特開平７−９８３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、高精度、高出力、小型の加速度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の加速度センサは、第１導電性材料層と第２導電性材料層とを備え、第２導電性材料層は、１つの検知子と複数の電極と複数の梁とを有し、検知子は第２導電性材料層の表面に直交する複数の側面をもち、各梁は一端で検知子を移動可能に保持し他端を固定され、各電極は検知子と各梁と他の電極とから絶縁されて検知子の各側面に対向して空隙を介して配置され、絶縁性材料を介して第１導電性材料層に固定されている。
【０００８】
さらに、第２導電性材料層は、梁保持領域を有し、検知子は、４つの側面と下面と上面とをもつ直方体形状をもち、各電極は、検知子の４つの各側面に対向して配置され、各梁は、一端で検知子の側面が交わる４つの各辺に接続し、他端で梁保持領域に連結し、梁保持領域は、絶縁性材料を介して第１導電性材料層に固定されているとよい。あるいは、検知子は、４つの側面と下面と上面とをもつ直方体形状をもち、各電極は、検知子の４つの各側面に対向して配置され、各梁は、一端で検知子の４つの各側面に接続し、他端で絶縁性材料を介して第１導電性材料層に固定されているとよい。
【０００９】
検知子の下面は、空隙を介して第１導電性材料層に対向するとよい。また、第３層を備え、第３層は、第２導電性材料層に絶縁されて積層され、検知子の上面は、空隙を介して第３層に対向するとよい。減圧雰囲気中に検知子を配置するとよい。
【発明の効果】
【００１０】
絶縁された第２導電性材料層と第１導電性材料層とを備えた簡単な構造で検知子と電極との間の静電容量を変化させる静電容量型の高精度、高出力、小型の加速度センサを得られる。また、検知子を直方体形状とすることにより検出方向を直交させて加速度の検出方向を高精度に分解できる。さらに検知子の下面と第１導電性材料層とを対向させて静電容量を変化させることで、検知子の下面に直交する方向の加速度を検出でき、より高精度に加速度を検出できる。さらに検知子の上面と第３層とを対向させて静電容量を変化させることで、検知子の上面に直交する方向の加速度を検出でき、より高精度に加速度を検出できる。さらに減圧雰囲気中に検知子を配置することにより、より高精度に加速度を検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
第１の実施形態の加速度センサ１は図１（ａ）の平面図と図１（ｂ）のＫ１−Ｋ２断面図と図１（ｃ）のＬ１−Ｌ２断面図とに示すように、第１導電性材料層１０と第１絶縁性材料層１１と第２導電性材料層１２とを備える。第１導電性材料層１０は厚さ１５０μｍの単結晶シリコン、第１絶縁性材料層１１は厚さ２μｍのシリコン酸化膜、第２導電性材料層１２は厚さ２０μｍの単結晶シリコンで形成されている。
【００１２】
第２導電性材料層１２には検知子１３と４つの電極１４ａ〜１４ｄと４つの梁１５ｅ〜１５ｈと梁保持領域１６とが形成されている。検知子１３は、第２導電性材料層１２の表面に平行な上面１３１及び下面１３２と、第２導電性材料層１２の表面に直交する４つの側面１３３ａ〜１３３ｄとをもつ直方体形状を有する。上面１３１及び下面１３２の形状は１辺１ｍｍの正方形であり、４つの側面１３３ａ〜１３３ｄは空隙を介して５μｍ離して配置された４つの電極１４ａ〜１４ｄに対向して配置されている。検知子１３の４つの側面１３３ａ〜１３３ｄが交わる各辺は幅１００μｍで長さ５００μｍの梁１５ｅ〜１５ｈの各一端に接続されている。梁保持領域１６は第１絶縁性材料層１１を介して第１導電性材料層１０に固定されて梁１５ｅ〜１５ｈの他端に連結されている。４つの電極１４ａ〜１４ｄは、検知子１３と４つの梁１５ｅ〜１５ｈと梁保持領域１６と他の電極１４ａ〜１４ｄとからそれぞれ絶縁されて第１絶縁性材料層１１を介して第１導電性材料層１０に固定されている。検知子１３の各側面１３３ａ〜１３３ｄと対向する４つの電極１４ａ〜１４ｄとが対向電極となってキャパシタ構造をもつ静電容量発生部１７ａ〜１７ｄを形成し、各対向電極間の距離に応じて静電容量を変化させる。
【００１３】
検知子１３は外部からの加速度がもたらす力によりわずかに移動して梁１５ｅ〜１５ｈをたわませ、側面１３３ａ〜１３３ｄと電極１４ａ〜１４ｄとの相対的な距離を変えて各静電容量発生部１７ａ〜１７ｄの静電容量を変化させる。静電容量発生部１７ａ〜１７ｄの静電容量の変化を検出することにより検知子１３に作用する加速度を検出できる。
【００１４】
例えば図２に示すように検知子１００が三角柱の場合、側面１０１ａ〜１０１ｃと側面１０１ａ〜１０１ｃに対向する電極１０２ａ〜１０２ｃとが形成する静電容量発生部１０３ａ〜１０３ｃにおける加速度の検出方向１０４ａ〜１０４ｃは互いに直交せず平行でもない。検知子１００に加わる加速度を検出するためには、静電容量発生部１０３ａ〜１０３ｃにおいて検出方向１０４ａ〜１０４ｃの加速度の大きさを独立ベクトル方向１０５ｄ、１０５ｅに分解して独立ベクトル方向１０５ｄ、１０５ｅごとに合成することにより算出できる。ここで、静電容量発生部の検出する加速度の方向が互いに直交する場合には加速度をより高精度に合成できる。
【００１５】
検知子１３は直方体形状をもつため、静電容量発生部１７ａ〜１７ｄで検知される加速度の方向は互いに直交または平行となる。検知子１３にベクトルとして作用する任意の方向の加速度は、各静電容量発生部１７ａ〜１７ｄにより独立ベクトル方向に分解される。各静電容量発生部１７ａ〜１７ｄで検知される独立ベクトル方向の強度をスカラーとして検知して合成することにより加速度をベクトルとして検知できる。静電容量発生部１７ａ〜１７ｄの検出する加速度の方向が互いに直交することにより高精度に合成でき、高精度に加速度を検知できる。
【００１６】
加速度センサ１の材料と製造方法とを説明する。基板には、図３（ａ）の平面図と図３（ｂ）のＫ１−Ｋ２断面図と図３（ｃ）のＬ１−Ｌ２断面図に示すように第１導電性材料層１０と第１絶縁性材料層１１と第２導電性材料層１２とで構成されるシリコンウエハのＳＯＩ基板を用いる。第１導電性材料層１０はＳＯＩ基板の厚さ１５０μｍのベース基板で形成され、第１絶縁性材料層１１は厚さ２μｍのシリコン酸化膜で形成され、第２導電性材料層１２は厚さ２０μｍの単結晶シリコンで形成される。
【００１７】
まず、図４（ａ）の平面図と図４（ｂ）のＫ１−Ｋ２断面図と図４（ｃ）のＬ１−Ｌ２断面図に示すように、フォトリソグラフィー及びシリコンのディープドライエッチングの手法により、第２導電性材料層１２を幅５μｍのパターンで第１絶縁性材料層１１に到達するまで除去して空隙を作成し、第２導電性材料層１２に検知子１３と電極１４ａ〜１４ｄと梁１５ｅ〜１５ｈと梁保持領域１６とを形成する。
【００１８】
検知子１３は直方体形状をもち、上面１３１及び下面１３２が一辺１ｍｍの正方形に形成され、側面１３３ａ〜１３３ｄが第２導電性材料層１２の表面に直交するように形成される。電極１４ａ〜１４ｄは、検知子１３と梁１５ｅ〜１５ｈと梁保持領域１６と他の電極１４ａ〜１４ｄとの間に空隙を設けて独立して形成される。梁１５ｅ〜１５ｈは一端を検知子１３の側面１３３ａ〜１３３ｄが交わる４つの辺に接続され、他端を周囲に設けられた梁保持領域１６に接続されて、幅１００μｍで長さ５００μｍに形成される。
【００１９】
次に、図５（ａ）の平面図と図５（ｂ）のＫ１−Ｋ２断面図と図５（ｃ）のＬ１−Ｌ２断面図に示すように、検知子１３及び空隙の下方の第１導電性材料層１０をシリコンのドライエッチングの手法により除去し、さらに、図１（ａ）の平面図と図１（ｂ）のＫ１−Ｋ２断面図と図１（ｃ）のＬ１−Ｌ２断面図に示すように、検知子１３及び空隙の下方の第２絶縁材料層１２をドライエッチングの手法により除去し、加速度センサ１を形成する。
【００２０】
静電容量の変化を検出する静電容量型の加速度センサは、静電容量発生部の対向電極の間隔が狭いほど出力が高く、間隔の寸法精度が高いほど検知精度が高い。本実施形態では、材料に単結晶シリコン及びシリコン酸化膜を用いることにより、例えばドライエッチング等の半導体微細加工技術を利用して検知子１３、電極１４ａ〜１４ｄ、梁１５ｅ〜１５ｈ、空隙を０．５μｍ以下の高い寸法精度で形成でき、高出力かつ高精度の加速度センサを製造できる。また、半導体微細加工技術で形成できる形態とすることで、ダイヤフラム形状の加速度センサのような静電容量発生部を形成する薄膜のゆがみ等による対向電極の間隔の制限がなく、出力を大きくする場合でも対向電極の面積を小さくして加速度センサを小型化できる。
【００２１】
第２の実施形態の加速度センサ２０は、図６の平面図に示すように、各梁２１ｅ〜２１ｈがたたみ込み構造になっており、第１の実施形態の加速度センサ１と梁以外の構造において同様であり、同様の製造方法で形成できる。たたみ込み構造の梁２１ｅ〜２１ｈで検知子１３を保持する加速度センサ２０は、直線構造の梁で検知子を保持する加速度センサより高い感度をもつ。
【００２２】
第３の実施形態の加速度センサ３０は、図７（ａ）の平面図と図７（ｂ）のＮ１−Ｎ２断面図と図７（ｃ）のＭ１−Ｍ２断面図とに示すように、第１導電性材料層３１と第１絶縁性材料層３２と第２導電性材料層３３とを備える。第１導電性材料層３１は厚さ１５０μｍの単結晶シリコン、第１絶縁性材料層３２は厚さ２μｍのシリコン酸化膜、第２導電性材料層３３は厚さ２０μｍの単結晶シリコンで形成されている。
【００２３】
第２導電性材料層３３には第１の実施形態の第２導電性材料層１２と同様に電極１４ａ〜１４ｄと４つの梁１５ｅ〜１５ｈと梁保持領域１６とが形成され、検知子１３に円筒形の複数の空隙を設けた検知子３４が形成されている。複数の空隙を設けることで、空隙の大きさや個数により検知子１３の質量を制御できるとともに、第１絶縁性材料層３２の加工が容易になる。検知子３４の下面３５は空隙を介して第１導電性材料層３１に対向している。検知子３４の各側面３６ａ〜３６ｄは、第２導電性材料層１２の表面に直交し、対向して配置された４つの電極１４ａ〜１４ｄと対向電極を構成してキャパシタ構造をもつ静電容量発生部３７ａ〜３７ｄを形成する。検知子３４の下面３５は、第１導電性材料層３１と対向電極を構成して静電容量発生部３８を形成している。
【００２４】
検知子３４は外部からの加速度がもたらす力によりわずかに移動して梁１５ｅ〜１５ｈをたわませ、側面３６ａ〜３６ｄと電極１４ａ〜１４ｄとの相対的な距離及び下面３５と第１導電性材料層３１との相対的な距離を変えて静電容量発生部３７ａ〜３７ｄ及び静電容量発生部３８の静電容量を変化させる。静電容量発生部３７ａ〜３７ｄ及び静電容量発生部３８の静電容量の変化を検出することにより検知子３４に作用する加速度を検出できる。
【００２５】
検知子３４は直方体形状をもち静電容量発生部３７ａ〜３７ｄの検出する加速度の方向が互いに直交することにより高精度に合成して高精度に加速度を検知できることに加え、検知子３４の下面３５にも静電容量発生部３８を形成していることから、検知子３４の下面３５に直交する方向の加速度を検出できるため、検知子３４の側面のみに静電容量発生部３７ａ〜３７ｄが形成されている場合よりも加速度の検出精度を高められる効果を得られる。また、第１の実施形態と同様に半導体微細加工技術を用いて高精度、高出力、小型に加速度センサを製造できる。
【００２６】
第４の実施形態の加速度センサ４０は、第１導電性材料層３１、第１絶縁性材料層３２、第２導電性材料層３３は図７（ａ）の平面図と図７（ｂ）のＭ１−Ｍ２断面図に示す第３の実施形態の加速度センサ３０と同様で、さらに、図８のＭ１−Ｍ２断面図に示すように第２絶縁性材料層４１と第３導電性材料層４２とを備え、第２絶縁性材料層４１はシリコン酸化膜、第３導電性材料層４２は厚さ１５０μｍの単結晶シリコンで形成される。
【００２７】
第２導電性材料層３３には第３の実施形態と同様に検知子３４と電極１４ａ〜１４ｄと４つの梁１５ｅ〜１５ｈと梁保持領域１６とが形成され、検知子３４の下面３５は空隙を介して第１導電性材料層３１に対向し、検知子３４の上面４３は空隙を介して第３導電性材料層４２に対向している。高精度に加速度を検出するために検知子３４の存在する空間を減圧することが望ましく、減圧されていなくても加速度センサとして機能できる。
【００２８】
検知子３４の各側面３６ａ〜３６ｄは、第２導電性材料層１２の表面に直交し、対向して配置された４つの電極１４ａ〜１４ｄと対向電極を構成してキャパシタ構造をもつ静電容量発生部３７ａ〜３７ｄを形成しする。検知子３４の下面３５は、第１導電性材料層３１と対向電極を構成して静電容量発生部３８を形成し、検知子３４の上面４３は、第３導電性材料層４２と対向電極を構成して静電容量発生部４４を形成する。
【００２９】
検知子３４は外部からの加速度がもたらす力によりわずかに移動して梁１５ｅ〜１５ｈをたわませ、側面３６ａ〜３６ｄと電極１４ａ〜１４ｄとの相対的な距離、下面３５と第１導電性材料層３１との相対的な距離、上面４３と第３導電性材料層４２との相対的な距離をそれぞれ変えて静電容量発生部３７ａ〜３７ｄ、静電容量発生部３８、静電容量発生部４４の静電容量を変化させる。静電容量発生部３７ａ〜３７ｄ、静電容量発生部３８、静電容量発生部４４の静電容量の変化を検出することにより検知子３４に作用する加速度を検出できる。
【００３０】
検知子３４は直方体形状をもち静電容量発生部３７ａ〜３７ｄが互いに直交することにより高精度に合成して高精度に加速度を検知できることに加え、検知子３４の上面４３にも静電容量発生部４４を形成していることから、検知子３４の上面４３に直交する方向の加速度を検出できるため、検知子３４の側面３６ａ〜３６ｄ及び下面３５のみに静電容量発生部３８が形成されている場合よりも加速度の検出精度を高められる効果を得られる。また、第１の実施形態と同様に半導体微細加工技術を用いて加速度センサを高精度、高出力、小型に製造できる。
【００３１】
第５の実施形態の加速度センサは、第４の実施形態の加速度センサ４０における第３導電性材料層４３に代えて第３絶縁材料層を用いる。第３絶縁性材料層は例えば透明ガラスで形成される。第５の実施形態の加速度センサは、第４の実施形態の加速度センサ４０と同様の効果の他、透明ガラスを用いることで内部の検知子３４を容易に検査できる。
【００３２】
第６の実施形態の加速度センサ６０は図９（ａ）の平面図と図９（ｂ）のＰ１−Ｐ２断面図と図９（ｃ）のＱ１−Ｑ２断面図と図９（ｄ）のＲ１−Ｒ２断面図とに示すように、第１導電性材料層６１と第１絶縁性材料層６２と第２導電性材料層６３とを備える。第１導電性材料層６１は厚さ１５０μｍの単結晶シリコン、第１絶縁性材料層６２は厚さ２μｍのシリコン酸化膜、第２導電性材料層６３は厚さ２０μｍの単結晶シリコンで形成されている。
【００３３】
第２導電性材料層６３には検知子６４と４つの電極６５ａ〜６５ｄと４つの梁６６ｅ〜６６ｈとが形成されている。検知子６４は、第２導電性材料層６３の表面に平行な上面６７及び下面６８と、第２導電性材料層６３の表面に直交する４つの側面６９ａ〜６９ｄとをもつ直方体形状を有する。上面６７及び下面６８の形状は１辺１ｍｍの正方形であり、４つの側面６９ａ〜６９ｄは空隙を介して５μｍ離して配置された４つの電極６５ａ〜６５ｄに対向して配置されている。検知子６４の４つの側面６９ａ〜６９ｄには幅１００μｍの梁６６ｅ〜６６ｈの各一端に接続されており、梁６６ｅ〜６６ｈの他端は第１絶縁性材料層６２を介して第１導電性材料層６１に固定されている。４つの電極６５ａ〜６５ｄはそれぞれ絶縁されて第１絶縁性材料層６２を介して第１導電性材料層６１に固定されている。検知子６４の各側面６９ａ〜６９ｄと対向する４つの電極６５ａ〜６５ｄとが対向電極となってキャパシタ構造をもつ静電容量発生部７０ａ〜７０ｄを形成し、各対向電極間の距離に応じて静電容量を変化させる。
【００３４】
検知子６４は外部からの加速度がもたらす力によりわずかに移動して梁６６ｅ〜６６ｈをたわませ、側面６９ａ〜６９ｄと電極６５ａ〜６５ｄとの相対的な距離を変えて各静電容量発生部７０ａ〜７０ｄの静電容量を変化させる。静電容量発生部７０ａ〜７０ｄの静電容量の変化を検出することにより検知子６４に作用する加速度を検出できる。
【００３５】
本発明の加速度センサは、衝撃検出装置、振動検出装置に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】第１の実施形態の加速度センサの平面図及び断面図である。
【図２】検出される加速度の方向と独立ベクトルとの関係図である。
【図３】基板の平面図及び断面図である。
【図４】第２導電性材料層にパターンを形成した基盤の平面図及び断面図である。
【図５】第１導電性材料層にパターンを形成した基盤の平面図及び断面図である。
【図６】第２の実施形態の加速度センサの平面図である。
【図７】第３の実施形態の加速度センサの平面図及び断面図である。
【図８】第４の実施形態の加速度センサの断面図である。
【図９】第６の実施形態の加速度センサの平面図及び断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１；加速度センサ、１０；第１導電性材料層、１１；第１絶縁性材料層、
１２；第２導電性材料層、１３；検知子、１４；電極、１５；梁、１６；梁保持領域、
１７；静電容量発生部、２０；加速度センサ、２１；梁、３０；加速度センサ、
３１；第１導電性材料層、３２；第１絶縁性材料層、３３；第２導電性材料層、
３４；検知子、３５；下面、３６；側面、３７；静電容量発生部、
３８；静電容量発生部、４０；加速度センサ、４１；第２絶縁性材料層、
４２；第３導電性材料層、４３；上面、４４；静電容量発生部、６０；加速度センサ、
６１；第１導電性材料層、６２；第１絶縁性材料層、６３；第２導電性材料層、
６４；検知子、６５；電極、６６；梁、６７；上面、６８；下面、６９；側面、
７０；静電容量発生部、１００；検知子、１０１；側面、１０２；電極、
１０３；静電容量発生部、１０４；検出方向、１０５；独立ベクトル方向、
１３１；上面、１３２；下面、１３３；側面
【図１】
2005265416.tif 000003
【図２】
2005265416.tif 000004
【図３】
2005265416.tif 000005
【図４】
2005265416.tif 000006
【図５】
2005265416.tif 000007
【図６】
2005265416.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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